Разработка технологии повышения износостойкости деталей машин с помощью контроля и управления состоянием и структурой поверхности электрохимическим методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, доктор технических наук Космынина Мирослава

• Космынина Мирослава
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Космынина Мирослава

Введение.

Глава 1. Современное состояние вопроса повышения износостойкости деталей машин. Цель и задачи исследований. Материалы и методика их исследования.

1.1. Современное состояние вопроса.

1.21 Связь износостойкости с электрическими параметрами зоны трения

1.2.1. Связь износостойкости с электродным потенциалом.

1.3.Цель исследования.

1.4. Материалы и методы исследования.

1.4.1. Обоснование выбора материалов.

1.4.2. Исследования структуры и свойств материалов;.

1.4.3. Методы испытания на износ.

Выводы.36'

Глава 2. Определение совместного параметра механической* и физико-химической систем металла, нагруженного механически; с трением.

2.1. Образование пассивирующих слоев металла.

2.2. Влияние химического состава сплава на основе железа на поверхностную активность

2.3. Зависимость между механическими и физико-химическими параметрами металта, нагруженного механически с трением.

Выводы.

Глава 3. Повышение износостойкости стальной основы! многофункциональным покрытием

3.1. Постановка задачи иизвестные решения.

312. Принципы формирования однослойных и полислойных композиционных покрытии.yKJ

3.3. Термохимическая обработка (ТХО). Создание однородности поверхности сталей.

I® 3.4. Упрочнение стального основания монослоем композита.

3.5:Повышение износостойкости путем управления свойствами композита.

3.5.1. Повышение износостойкости за счет улучшения, механическо й прочности металла.

3.5.2. Уменьшение износа путем повышения коррозионной; стойкости стальной подложки.

3:5.3. Уменьшение износа повышением трибологических свойств металла.

3.6. Технология повышения износостойкости - измерительного инструмента.

3.7.Предложения использования технологии конструирования свойств металла.

Выводы.121;

Глава 4. Общие принципы управления структурой металла в зоне-трения электрохимическим способом.

4.1. Влияние механической нагрузки и внешней поляризации на процессы, протекаюгцие в зоне трения.

4.2. Распределение тока и потенциала в зоне стендового узла трения.

4.3. Основы выбора структур; встраиваемых между сопряженнымиi поверхностями, и среды дляих образования.

4.3.1. Общие положения.

4.3.2. Восстановление Си, Zn; Sn из водных растворов в стендовом узле трения;.

4.3.3. Восстановление Си; Zn, Sn из водорастворимых паст.

4.314. Восстановление металлов Си, Zn, Sn из электролитов? с масляной основой (безызносное трение);.

4.3.5. Влияние скорости относительного движения сопряженных поверхностей на параметры образования компактных структур.

4.4. Определение возможности сохранения создаваемых структурs в условиях пассивирования металла.

4.4. Г. Характеристики оксидной плёнки.

4.4.2. Исследование изчоса металла в условиях вращающейся

Выводы

Глава 5. Практическое применение результатов исследований.

5.1. Способ облегчения механической обработки стальных деталей, упрочненных композиционным покрытием.

5.2. Применение тонкослойного композиционного покрытия в качестве промежуточного слоя.

5.3. Образование защитных слоев при резании металлов.

5.3.1.Общая схема применения электрохимической защиты в процессах точения деталей.

5.3.2. Модернизация жидкости СОЖ - Zn, применяемой в качестве электролита выделения Zn.

5.3.3. Выделение Си и Sn в условиях резания.

5.3.4. Преимущества применения электрохимической фи системы в условиях механической обработки точением:.

5.4. Выделение защитных металлов с использованием обрабатывающего станка.

5.5. Облегчение работы подшипников скольжения.

Создание условий безызносного трения.

5.6. Экономический и экологический эффекты от предложенных технологий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии повышения износостойкости деталей машин с помощью контроля и управления состоянием и структурой поверхности электрохимическим методом»

Главной целью настоящего диссертационного исследования является разработка способов контроля и управления структурой и свойствами поверхностных слоев стальных деталей электрохимическими методами, расширение и углубление теории и практики противодействия изнашиванию металла в условиях механического нагружения с трением в жидкой среде.

В работе рассматриваются две системы - механическая» и электрохимическая? - связанные: условиями механического нагружения* металла.

В работе изучены закономерности процессов на границе: металл -жидкость при трении, механизмы растворения, разъедания и разрушения металла. Изучены процессы» формирования структур, тормозящих эти процессы под воздействием различных факторов; в частности,1 скорости вращения детали, давления в зоне контакта и изменения? поверхностных процессов под влиянием среды.

Разработана методика исследования? свойств и структуры поверхности с помощью электрохимической системы. Показаны преимущества метода, который базируется? на управлении электродным потенциалом металла. Определены условия, в том числе значения электродного- потенциала, приводящие практически к безызносному трению.

Доказано, что неоднородность поверхностного потенциала,, создаваемая многокомпонентной системой и многофазными структурами, приводит к неоднородному разрушению и образованию структур; на границе раздела фаз металл - жидкость.

Показано, что кроме применения в системе высокоэффективных покрытий необходимо с оздание регулируемой; жидкостной среды. В системе сталь. - покрытие NiP-a-АЬОз выявлены условия получения эффекта отрицательного воздействия на контртело.

Дополнительно исследовано влияние нитрида бора, который при введении в покрытие повышает твердость и уменьшает коэффициент трения.

Изучены закономерности формирования тонких слоев Zn, Си, Sn на поверхности конструкционного материала. Эти быстроизнашивающиеся «жертвенные слои» постоянно; воспроизводимые в среде, выполняют функцию защиты основного металла;

При изучении вышеуказанных быстроизнашивающихся покрытий выявлен отрицательный эффект наводораживания стали. Выявлены условия для подавления этого эффекта и получения в соответствующей среде высоких характеристик износостойкости.

На базе проведенных исследований разработана серия технологий, защищенная пятью патентами.

Установленные закономерности могут быть использованы при проектировании реальных машин и механизмов различного назначения, определении их энергетических параметров и показателей надежности. Предложенные методы управления электродным; потенциалом позволяют значительно повысить ресурс работоспособности разработанных высокоэффективных покрытий в парах трения.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Космынина Мирослава

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

На основании установленных двух экспериментальных параметров -электродного потенциала в электрохимической системе и характерного геометрического параметра; стендовой; системы механического нагружения: металла - разработаны, два способа; повышения; износостойкости: металлов: создание многофункциональных поверхностных слоев и эффекта безызносного трения:

Многофункциональные свойства материала обеспечены путем контролируемого послойного и поверхностного размещения упрочняющей фазы в металлическом сплаве. Упрочнение создается в виде монослоев. Разработанный способ: упрочнения частицами керамики; показан на примере сплава: Ni-P и упрочняющих частиц аАЬОз и BN размером до 5-7 мкм;

Разработанный: способ ; термохимической обработки исключает поверхностную неоднородность сталей (45, ХФ, ХШ15) и создает условия для соединения монослоев между собой; Его поводят при 350-400°G и при этом активируют поверхность стали сплавом Ni-P.

Электродный потенциал, измеряемый; в электрохимической системе, в жидкостной среде закономерно связан; с уровнями s строения; детали и< позволяет получить связь атомного строения, фазового и макроскопического - конфигурации; детали, ее профиля и шероховатости поверхности.

Макроскопические характеристики; металлов, работающих в условиях нагружения: с трением, определяются; их механическими свойствами, а также структурой, механическими; и; физико-химическими свойствами тонкого поверхностного слоя? и; электрохимическим взаимодействием этого слоя со средой. Доказано, что коэффициент трения зависит от природы нагружаемого металла, типа и свойств пассивационного слоя и проявляется раньше (по толщине слоев), чем электродный потенциал покрытия этим металлом.

Применение в системе нагружения высокоэффективных покрытий недостаточно, а необходимо создать регулируемую жидкостную среду. В системе сталь - гкжрытие Ni-P-аАЬОз выявлены условия эффекта

201 отрицательного воздействия на контртело. Изучено применение жидкостных сред на водной, солевой и масляной? основах для; выделения тонких слоев Zn, Sn, Си. Основной функцией: выделяемых металлов является защита основного металла.

Изучены; закономерности; формирования; тонких слоев Zn, Sn, Си, выделяемых на поверхности; конструкционного»материала в * условиях механического износа. Тонкий; слой; выделяемых металлов остается> на поверхности детали при; скорости; выделения; большей;, чем: скорость» механического износа; Выявлен; эффект наводораживания сталей; и даны условия для его подавления:

Достигнут эффект безызносного трения; путем: использования; электрохимической' системы; в виде датчика структуры, предназначенной для механического износа.

На базе; проведенных; исследований; разработана; серия; технологий; совершенствующих свойства конструкционного материала:

- упрочнения и регенерации: металлокерамическим покрытием с облегчением механической обработки детали;

- коррозионных свойств: путем; выделения; в условиях механической? обработки резанием защитного металла и утолщения этого слоя при; требовании длительного периода эксплуатации в жестких условиях;

- поддержания трибологических; свойств в подшипниках скольжения путем осаждения тонких пленок металла, обладающих относительно низким коэффициентом трения в полном периоде эксплуатации.

1С специальным* свойствам! конструкционного металла следует отнести; создание условий: для; обеспечения; смачиваемости; поверхности припоем; Это проводится выделением тонкого слоя; олова в условиях резания стального основания.

В результате: использования: предложенных; технологий получены экономический; и; экологический: эффекты. Технологии защищены пятью патентами.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Космынина Мирослава, 2005 год

1. Thimoshenko S.P.: Historia wytrzymalosci materialow (tlum; z ang.) Wydawnictwo „Arkady", Warszawa 1996.

2. Dobrzanski L. A.: Podstawy nauki о materialach i metaloznawstwo., Materialy inzynierskie z podstawami projektowania materialowego. WNT. Warszawa. 2002'

3. Гуляев А.П.: Металловедение. Изд. Металлургия, Москва, 1986 Лахтин; Ю.М.: Материаловедение. Изд. Машиностроение,1- Москва; 1993'

4. Przybylowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2003 Солнцев: Ю.Л., Пряхин Е.И., Войткун Ф.: Материаловедение, МИСИС, Москва, 1999г.

5. Солнцев Ю.П., Веселов В.Ф., Демянцевич А.П. и др.: Металловедение и технология1 конструкционных материалов. МИСИС, Москва; 1996

6. Ciszewski В., Przetakiewicz W.: Nowoczesne materialy w technice. Warszawa Bellona 1993

7. Prowans S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa, 1980?

8. Геллер Ю.А.,Рахштадт А.Г.: Материаловедение. Изд. Металлургия,1. Москва, Л 986

9. Dobrzanski L. A.: Metaloznawstwo: i: obrobka cieplna stopow metali;. Wydawnictwo Politechniki Sl^skiej; Gliwice, 1993. Гольдштеин М.И., Гоачев C.B., Векслер Ю.Г.: Специальные стали; Москва, Металлургия; 1985

10. Adamczyk J.: Inzynieria wyrobow metalowych. Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Slqskiej 2000

11. Справочник. Конструкционные материалы, (под ред. Б.Н:), Изд. Машиностроение, 1990

12. Дальский A.M.: Технология конструкционных материалов. Изд. Машиностроение, Москва, 1992

13. Новиков; В.И.: Теория термической? обработки; металлов; Изд. Металлургия; Москва; 1983

14. Металловедение. Сталь. Справочное издание; в 2 т. Перевод с нем. Металлургия; 1995

15. Анисимов Г.Л., Благов;Б.Н;: Проектирование;литых;деталей. Изд. Машиностроение, Москва, 196725: Кнорозов; Б.В., Усова Л.В., Третьякова; А.В. и: др.: Технология металлов и материаловедение. Изд. Металлургия; Москва, 1988

16. Michel F. Ashby:. Dobor materialow w projektowaniu inzynierskim. WNT, Warszawa, 1998

17. Матюнин B.M.: Механические: и технологические; испытания и свойства конструкционных материалов; Изд. МЭИ, Москва, 1996

18. Чатерджи-Фишер Р. и др.: Азотирование; и карбонитрирование. Перевод с нем. под ред. А.П. Супова. Изд. Металлургия,.Москва, 1990J

19. Praca zbiorowa: Obrobka cieplna stopow zelaza: Poradnik inzyniera. WNT, Warszawa 1977.

20. Pertek A, Kulka M.: Wplyw borowania na skiad; chemiczny,. fazowy i wlasnosci; naw^glonego podloza. Inzynieria Materialowa, nr 5, 1999, s. 255- 258;

21. Liliental W.: Nitreg nitriding improves life: of forging; dies. Proceedings of the 9th International Seminar IFHTSE „Nitriding Technology — Theory and; Practice", Institute of Precision Mechanics, Warsaw, Poland 2003, s. 471 -481.

22. Burakowski Т.: Rozvvoj obrobki cieplnej na przestrzeni ponad 4000 lat -i со dalej? Konferencja „Problemy metaloznawstwa w technice XXI wieku", Wydawnictwo Politechniki Swi^tokrzyskiej", Kielce, s. 33 54.

23. Mordike В .L.: Trends in the development о f the application о f CO2 -lasers in materials technology. "Zeitschrift fur Werkstofftechnik", 14, 1983, s. 221 -228.

24. Kusinski: J.: Lasery i ich zastosowanie w inzynierii: materialowej. Wydawnictwo Naukowe „Akapit", Krakow 2000.

25. Burakowski T.:: Mozliwosci zastosowania implantacji jonow w inzynierii powierzehni metali. Przeglqd Mechaniczny, 1988, cz. Is nr 16, s. 5 — 11; cz. II, nr 17, s. 15- 32.

26. Oberfliichenveredeln und Plattiren:von; Metallen. VEBi Deutscher Verlag fur Grundsloffindustrie; Leipzig 1983:42: Линник B:A., Пекшев П.Ю.: Современная техника газотермического нанескния покрытий. Машиностроение; Москва, 1985

27. Babul Т.: Optymalizacja zakresu zastosowan metody napylania detonacyjnego dla stali konstrukcyjnych. Sprawozdanie z pracy IMP, zlec. 114.03.0005, Warszawa 1986.

28. Morel S.: Powloki natryskiwane cieplnie. Wydawnictwo Politechniki Cz?stochowskiej, Cz^stochowa 1997.

29. Richter P., Krommer W., Heinrich P.: Anlagen Technik unci Processsteuerung beim Kaltgasspritzen. Publikowane w: Tagungs-band ITSC 2002, International Thermal Spray Conference and Exposition, DVS-Sondertagung in Essen, 2002.

30. Socha J:, Weber J.A.: Podstawy elektrolitycznego osadzania stopow metali. Wydawnictwo Instytutu Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2001.

31. Модифицирование и легирование: поверхности лазерными, ионными; и электронными пучками. Под ред. Д. М. Поута. Пер: с: английского. Москва, Машиностроение, 1987

32. Голубев B.C., Волчуга В.В., Новиков A.JI., и др:: Обработка деталей лучем лазера в; сочетании? с их поверхностным пластическим деформированием. Вест. АН БССР. Серия? Физическо-техн. наук, н.З, 1988, 60-65

33. Рыкалин Н.Н,, Углов' А.А., Зуер И.В.: Справочник. Лазерная; и электронно лучевая обработка металлов. Москва; Машиностроение, 1985

34. Мещеряков H., Чаругин H.B.: Интенсификация; процесса электроискрового легирования в среде легкоплавких поверхностно-активных металлов. Электронная? обработка материалов. !987, н. 1., 33-38

35. Зубченко О.И., Марголин В Б, Онаприенко В.Б.: Повышение долговечности деталей совмещенным упрочнением. Вестник55.56;57.